JP4861126B2

JP4861126B2 - 空間電荷バランス制御システム

Info

Publication number: JP4861126B2
Application number: JP2006299962A
Authority: JP
Inventors: 一雄岡野
Original assignee: 一雄岡野
Priority date: 2006-11-06
Filing date: 2006-11-06
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2026-11-06
Also published as: JP2008117646A

Description

本発明は、イオナイザにより発生させた正負のイオンにより対象物を除電する除電システムにおいて、正負のイオン濃度をバランスさせて作業領域の電位を低電位に保持するための空間電荷バランス制御システムに関するものである。

例えば半導体製造工程で使用されるクリーンルームにおいて、電子部品等の耐電を防止するためにイオナイザが使用されている。
図１０はこの種のイオナイザの従来技術を示すブロック図であり、後述の特許文献１に記載されているものである。

図１０において、１０１はコントローラ、１０２はパワーアンプ、１０３はエミッタ（放電針）、１０４は絶対湿度センサ、１０５はコンピュータである。
このイオナイザは、被制御空間の絶対湿度が高いほど正イオンが過剰になり易く、絶対湿度が低いほど負イオンが過剰になり易いことに着目したものであり、絶対湿度センサ１０４により検出した被制御空間の絶対湿度が高い場合には正イオンに対する負イオンの相対的発生量を増加させ、逆に被制御空間の絶対湿度が低い場合には負イオンに対する正イオンの相対的発生量を増加させるようにコントローラ１０１によりパワーアンプ１０２を制御し、エミッタ１０３から発生する正負イオン濃度を制御してイオンバランスを保っている。

特開平５−９４８９６号公報（段落［０００７］〜［００１２］，図１〜図５等）

しかしながら、上記イオナイザにおける絶対湿度センサ１０４は相対湿度センサと温度センサとを組み合わせたものや、露点センサであるが、何れにしても正負イオン濃度を測定する機能を備えていない。
このため、特許文献１の段落［００１１］，［００１７］等に記載されているように、予め室内に１個または複数個のイオンセンサを配置してイオンバランスがとれるようにイオナイザをセットしておき、次いで絶対湿度センサをセットすると共に、絶対湿度とイオンバランスのずれとの関係に応じてフィードバック条件を設定し、以後は絶対湿度の検出値に応じたフィードバック制御によりイオンバランスを保つものであり、定常時には前記イオンセンサを取り外すか設置したままとするものである。

このため、上記従来技術では、イオンセンサ及び絶対湿度センサという二つのセンサが必要不可欠であり、装置構成の複雑化やコストの増加を招くという問題があった。
そこで、本発明の解決課題は、センサを単一化して構成の簡略化を図り、低コストにて正負のイオン濃度をバランスさせることができる空間電荷バランス制御システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、イオナイザにより発生させた正負のイオンを作業領域において捕捉し、正負イオン濃度を検出するセンサ部と、
このセンサ部により検出した正負イオン濃度をバランスさせるように、過剰なイオンの極性とは逆の極性の制御電圧を生成するコントロールユニットと、
前記制御電圧が印加されて前記作業領域における過剰なイオンを吸収し正負イオン濃度をバランスさせるための吸収電極と、を備え、
前記センサ部を、前記作業領域に配置されたアンテナと、このアンテナに接続されて正負イオン濃度に応じた電圧を前記コントロールユニットに出力するイオンセンサと、から構成し、
前記アンテナ及び前記吸収電極を、前記作業領域を取り囲むように配置したものである。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した空間電荷バランス制御システムにおいて、前記アンテナと前記吸収電極との間に、接地電極を配置したものである。

請求項３に記載した発明は、請求項１に記載した空間電荷バランス制御システムにおいて、前記アンテナ及び前記吸収電極を同心円状に配置したものである。

請求項４に記載した発明は、請求項２に記載した空間電荷バランス制御システムにおいて、前記アンテナ、前記吸収電極及び前記接地電極を同心円状に配置したものである。

本発明によれば、作業領域において正負イオン濃度がアンバランスになると、アンテナ及びイオンセンサからなるセンサ部により正負イオン濃度のアンバランスに応じた電圧が出力される。コントロールユニットでは、この電圧に応じて過剰なイオンの極性とは逆極性の制御電圧を生成して吸収電極に印加することにより、過剰なイオンが吸収電極により吸収され、作業領域における正負イオン濃度をバランスさせることができる。
このため、除電対象物を低電位に抑え、一方の極性に帯電するのを防止することができる。
また、回路構成上、従来技術のように複数のセンサを用いる必要がないので、構成の簡略化及びコストの低減が可能である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は、本実施形態に係る空間電荷バランス制御システムの概略的な構成図である。

図１において、１０は交流式または直流式のイオナイザであり、高電圧ユニット１１とエミッタ（放電針）１２とを備えている。また、３０はイオナイザ１０によって除電を行うための作業領域であり、ここでは、ＬＳＩやＩＣ等の除電対象物３１を除電する場合を想定している。

２０は、本実施形態の空間電荷バランス制御システムである。
この制御システム２０は、作業領域３０に配置されてエミッタ１２の周囲から除電対象物３１方向に送られる正イオン、負イオンを捕捉する導電性のアンテナ２１と、捕捉した正負イオン濃度に応じてアンテナ２１から出力される過剰イオン電流ｉ_ＩＳを電圧Ｖ_ＩＣに変換するイオンセンサ２２と、その電圧Ｖ_ＩＣに応じた制御電圧Ｖ_ＯＣを出力するコントロールユニット２３と、作業領域３０に配置されて前記制御電圧Ｖ_ＯＣが印加される吸収電極２４とから構成されている。
上記構成において、アンテナ２１及びイオンセンサ２２は、請求項に記載したセンサ部を構成している。

この実施形態の動作を説明すると、作業領域３０の正負イオン濃度がバランスしている場合、アンテナ２１から出力される過剰イオン電流ｉ_ＩＳはゼロであり、イオンセンサ２２を介してコントロールユニット２３から出力される制御電圧Ｖ_ＯＣもゼロであるため、吸収電極２４に電圧が印加されることはない。

しかし、正負イオン濃度のバランスが崩れ、例えば正イオン濃度が負イオン濃度より高くなったとすると、アンテナ２１からは過剰な正極性のイオン濃度に応じた過剰イオン電流ｉ_ＩＳが流出し、この電流ｉ_ＩＳはイオンセンサ２２により正の電圧Ｖ_ＩＣに変換されてコントロールユニット２３に入力される。コントロールユニット２３では、上記電圧Ｖ_ＩＣに応じた大きさの負の制御電圧Ｖ_ＯＣを生成し、この制御電圧Ｖ_ＯＣを吸収電極２４に印加する。
これにより、過剰な正イオンは逆極性の電圧が印加された吸収電極２４によって吸収されるため、作業領域３０は全体として正負イオン濃度がバランスするようになり、その電位は低電位に保たれることになる。
作業領域３０の負イオン濃度が正イオン濃度より高い場合の動作は、上述した動作において極性を逆転させれば良く、容易に推測可能であるため詳述を省略する。

次に、図２は上記実施形態の第１実施例を示す構成図である。
この第１実施例は、作業領域３０を取り囲むように円環状のアンテナ２１及び吸収電極２４を同心円状に配置した例である。なお、作業領域３０のほぼ中心には、ソケット３２が配置されており、このソケット３２にＬＳＩ等の除電対象物を装着して除電性能の試験を行うように構成されている。
この実施例によれば、作業領域３０のイオンバランスを均等かつ高精度に検出し、過剰な極性のイオンを均等に吸収することが可能である。

また、図３は実施形態の第２実施例を示す構成図である。
この第２実施例は、アンテナ２１と吸収電極２４との間の空間に円環状の接地電極２５を同心円状に配置した例である。
この実施例によれば、吸収電極２４に制御電圧Ｖ_ＯＣを印加した場合に電界が吸収電極２４と接地電極２５との間だけに作用するようになり、上記電界によるアンテナ２１への悪影響を防止することができる。

なお、図２及び図３において、アンテナ２１と吸収電極２４との位置関係は逆であっても良い。また、アンテナ２１及び吸収電極２４は、作業領域３０を包囲可能であれば円環状に限らず方形（四角形）の枠状であっても良い。

図４は、前記第１実施例の回路構成の一例を示す図である。
図４において、アンテナ２１に接続されたイオンセンサ２２は、ＭＯＳＦＥＴ２２１，２２２、抵抗２２３及びコンデンサ２２４により構成されている。また、コントロールユニット２３は、直流電源２３１と、ブリッジ回路を構成する抵抗２３２ａ〜２３２ｄと、反転増幅器を構成するオペアンプ２３４，２３７及び帰還抵抗２３５，２３８、並びに抵抗２３３，２３６とによって構成されている。なお、２３９は吸収電極２４に接続される出力端子である。

上記回路では、アンテナ２１及びイオンセンサ２２により正負イオン濃度のアンバランスを検出すると、ＭＯＳＦＥＴ２２１，２２２の出力側に接続されたコントロールユニット２３内のブリッジ回路の端子間に電圧Ｖ_ＩＣが生じる。この電圧Ｖ_ＩＣを後段のオペアンプ２３４，２３７等からなる反転増幅器により増幅して制御電圧Ｖ_ＯＣに変換し、この制御電圧Ｖ_ＯＣを吸収電極２４に印加するようになっている。

例えば、アンテナ２１からイオンセンサ２２への入力電流（過剰イオン電流）ｉ_ＩＳが正の場合、つまり作業領域３０に正イオンが過剰である場合には、負の制御電圧Ｖ_ＯＣを生成して吸収電極２４に印加し、入力電流ｉ_ＩＳが負の場合には、正の制御電圧Ｖ_ＯＣを生成して吸収電極２４に印加するように動作する。
また、帰還抵抗２３８を可変として増幅率を変化させることにより制御電圧Ｖ_ＯＣを調整すれば、吸収電極２４に吸収されるイオンの量を調整することが可能である。
ここで、イオンセンサ２２及びコントロールユニット２３の回路構成は、図４の例に何ら限定されるものではない。

次に、図５は本実施形態の特性を評価するための試験装置の構成図であり、その基本的な構成は図２と同様である。図５において、２６は前記イオンセンサ２２及びコントロールユニット２３を一体化したユニット、４０はチャージプレートモニタ（ＣＰＭ）、４１はそのプローブであり、このプローブ４１を除電対象物に見立ててある。また、エミッタ１２からプローブまでの距離Ｄ_ＥＰと、アンテナ２１及び吸収電極２４の内外径はそれぞれ図示する通りである。

上記試験装置を用いて、イオナイザ１０の除電特性を以下のように測定した。
まず、プローブ４１を±１１００〔Ｖ〕に充電し、その後、イオナイザ１０によってプローブ４１が除電される様子をＣＰＭ４０により測定した。
図６は、プローブ電位Ｖ_Ｐ〔Ｖ〕と除電時間ｔ_Ｎ〔ｓ〕との関係を示す図である。この試験装置では、プローブ４１の静電容量Ｃ_Ｐが４５〔ｐＦ〕程度であるため、図６ではプローブ電位Ｖ_Ｐがほぼ０〔Ｖ〕になるまでの除電時間ｔ_Ｎ〔ｓ〕が約５０〔ｓ〕となっているが、例えばＬＳＩを除電する場合にはその静電容量が約１〔ｐＦ〕であるため、プローブ電位Ｖ_Ｐがほぼ０〔Ｖ〕になるまでの除電時間ｔ_Ｎ〔ｓ〕は１〔ｓ〕程度と考えられる。

このようなイオナイザ１０を用いて、センサ部（アンテナ２１及びイオンセンサ２２）の検出特性、吸収電極２４のイオン吸収特性、システムの応答特性を評価した結果を図７〜図９に示す。

まず、図７はセンサ部の検出特性を示すものであり、イオナイザ１０が発生する正負イオンのバランスを変化させて作業領域３０の空間電荷濃度を変化させた時の、プローブ電位Ｖ_Ｐ〔Ｖ〕とユニット２６から出力される制御電圧Ｖ_ＯＣ〔Ｖ〕との関係を示している。
この図７において、プローブ電位Ｖ_Ｐが−１０〔Ｖ〕〜＋１０〔Ｖ〕の範囲では制御電圧Ｖ_ＯＣがほぼ直線状に変化しており、正負イオンのアンバランスに起因するプローブ電位Ｖ_Ｐに応じたセンサ部の検出出力により、所定の制御電圧Ｖ_ＯＣが吸収電極２４に印加されていることが判る。なお、プローブ電位Ｖ_Ｐの絶対値が１０〔Ｖ〕以上になると、センサ部の特性の飽和によって制御電圧Ｖ_ＯＣは一定値となる。

図８は、吸収電極２４のイオン吸収特性を示すものであり、吸収電極２４に印加される制御電圧Ｖ_ＯＣを−１０〔Ｖ〕〜＋１０〔Ｖ〕の範囲で変化させた時のプローブ電位Ｖ_Ｐ〔Ｖ〕を示している。
この図８によれば、制御電圧Ｖ_ＯＣを変化させて吸収電極２４による正イオンまたは負イオンの吸収量を制御し、正負のイオンバランスを制御することができ、結果としてプローブ電位Ｖ_Ｐを制御できることが判る。

図９は、システムの応答特性を示すものであり、プローブ電位Ｖ_Ｐが−１０〔Ｖ〕または＋１０〔Ｖ〕となるようにイオナイザ１０が発生する正負イオン濃度をアンバランス状態として本システムを動作させ、プローブ電位Ｖ_Ｐ〔Ｖ〕と経過時間ｔ〔ｓ〕との関係を測定した。
図９によれば、プローブ電位Ｖ_Ｐが±５〔Ｖ〕以内になるまでの時間（応答時間）はほぼ１０〜２０〔ｓ〕程度であり、一般にイオナイザが生成する正負イオンのバランスが短時間で急激に変化することはないので、上記の応答時間は実用上、十分な値であると考えられる。

本発明の実施形態に係る空間電荷バランス制御システムの概略的な構成図である。実施形態の第１実施例を示す構成図である。実施形態の第２実施例を示す構成図である。第１実施例の回路構成の一例を示す図である。実施形態の特性を評価するための試験装置の構成図である。図５の試験装置によるプローブ電位と除電時間との関係を示す図である。図５の試験装置におけるセンサ部の検出特性を示す図である。図５の試験装置における吸収電極のイオン吸収特性を示す図である。図５の試験装置によるプローブ電位と経過時間との関係を示す図である。従来技術の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０：イオナイザ
１１：高電圧ユニット
１２：エミッタ
２０：空間電荷バランス制御システム
２１：アンテナ
２２：イオンセンサ
２３：コントロールユニット
２４：吸収電極
２５：接地電極
２６：ユニット
３０：作業領域
３１：除電対象物
３２：ソケット
４０：チャージプレートモニタ
４１：プローブ

Claims

イオナイザにより発生させた正負のイオンを作業領域において捕捉し、正負イオン濃度を検出するセンサ部と、
このセンサ部により検出した正負イオン濃度をバランスさせるように、過剰なイオンの極性とは逆の極性の制御電圧を生成するコントロールユニットと、
前記制御電圧が印加されて前記作業領域における過剰なイオンを吸収し正負イオン濃度をバランスさせるための吸収電極と、
を備え、
前記センサ部を、前記作業領域に配置されたアンテナと、このアンテナに接続されて正負イオン濃度に応じた電圧を前記コントロールユニットに出力するイオンセンサと、から構成し、
前記アンテナ及び前記吸収電極を、前記作業領域を取り囲むように配置したことを特徴とする空間電荷バランス制御システム。
請求項１に記載した空間電荷バランス制御システムにおいて、
前記アンテナと前記吸収電極との間に、接地電極を配置したことを特徴とする空間電荷バランス制御システム。
請求項１に記載した空間電荷バランス制御システムにおいて、
前記アンテナ及び前記吸収電極を同心円状に配置したことを特徴とする空間電荷バランス制御システム。
請求項２に記載した空間電荷バランス制御システムにおいて、
前記アンテナ、前記吸収電極及び前記接地電極を同心円状に配置したことを特徴とする空間電荷バランス制御システム。